机器人在口腔种植领域的应用

    迄今为止，在口腔医学领域，机器人已经成功应用于修复、正畸、种植、牙体牙髓以及口腔外科等领域。在传统的口腔种植手术中，细微的偏差都可能影响到种植牙的远期功能和美观效果，甚至会损伤重要解剖结构。得益于机器人的高精确性、高工作效率、高稳定性，上述问题在口腔种植机器人应用后得到了较好的解决。
    本文旨在阐述口腔种植机器人的分类、工作流程、应用现状，并进行误差分析和不足之处的讨论，以及对种植机器人时代的思考，以期为未来口腔种植机器人的发展提供参考。
    1.口腔种植机器人的分类及工作流程
    根据控制方式，口腔种植机器人可分为被动式（主从式、协作式）和自主式：主从式即人远程控制机械臂；协作式即人直接操控机械臂，共同协作完成种植手术；自主式即机械臂可自主独立完成种植手术。根据感知类型，口腔种植机器人可分为物理感知和光学感知：物理感知型口腔种植机器人通过触觉反馈调整机械臂，从而控制种植体植入的位置、深度和角度；光学感知型根据感知光的不同，又可细分为主动光光学感知和被动光光学感知。
    被动光光学感知口腔种植机器人是在可见光环境下捕捉定位导板完成追踪定位，容易受到环境光的影响；主动光光学感知口腔种植机器人的视觉系统能够捕捉光学部件所射出的不可见光，不易受环境光的影响。
    1）CBCT拍摄：在患者口内佩戴含有标记点的定位导板进行CBCT的拍摄。定位导板一般可以分为侵入性和非侵入性两类。
    2）术前规划：将CBCT数据导入软件中，在三维影像上以修复为导向，同时考虑颌骨条件，选择种植体系统与型号，规划理想的种植体三维位置。在控制系统中规划种植手术钻针使用顺序和种植窝洞预备模式。
    3）术前注册：将手机定位板装配到手机上，进行机械臂与CBCT图像的注册。通过坐标空间映射系统实现机器人的手眼标定，与视觉系统建立联系，为种植机器人进行手术建立基础。
    4）术中手术：术者对患者进行麻醉和翻瓣后将种植手机拖动至口内术区附近，踩踏脚踏，机械臂自动确定种植体的植入点和三维方向，使种植手机的位置和姿态自动调整至理想位置并按照术前规划进行种植窝洞制备。术者按术前拟定的钻针计划顺序更换钻针，再重复上述过程，直至窝洞预备完成及种植体植入完成。
    2.口腔种植机器人的精度及影响因素
    2.1口腔种植机器人的种植精度：近年来，静态导板技术和动态导航技术的应用，显著提高了种植手术的精准度和安全性。但静态导板技术存在导板制作周期长、种植窝洞冷却不足等局限，而且术中无法对种植方案进行调整。在使用动态导航技术时，手机定位器的重量和体积方面均较传统种植手机大，易增加术者劳累感，且要做到手眼分离，需要一个复杂的学习适应过程，存在一定的学习曲线。
    与静态导板和动态导航相比，机器人在口腔狭小的手术空间进行操作时能够精准移动器械，并且避免了操作疲劳。视觉盲区以及体位不佳等引起的人为误差，使手术精度进一步提高，降低手术复杂性及手术创伤，实现口腔种植微创治疗。且术中窝洞制备和种植体植入皆由机器人完成，基本不需要学习适应过程。目前，评估口腔种植机器人的种植精度主要采用体外实验和临床试验两种方法。
    在临床应用中需要警惕的是动态导航存在偶发的较大误差偏离，本课题组在口腔种植机器人的辅助下为20 名患者植入61 颗种植体，植入点平均横向误差为0.39 mm，根尖点平均横向误差为0.47 mm，平均垂直向误差为0.42 mm，平均角度误差为1.85°，其中垂直向最大误差达到1.49 mm，所以即使是机器人进行种植手术，手术规划时仍应遵循Worthington的建议，在种植区域预留2 mm的安全距离，即预留足够的安全距离，以此避免重要解剖结构的损伤。
    2.2口腔种植机器人精确性的影响因素：种植手术时种植体植入位点的精确性至关重要，尤其是在可用骨量不足、修复空间过小、易损伤周围解剖结构等情况时。机器人手术的突出优势是对种植位点的精准把控，但操作流程中仍有各种偏差无法避免，种植手术中机器人精确性的影响因素有很多，以下将对机器人应用于口腔种植手术时影响精确性的因素进行归纳总结，期望有助于其在口腔种植手术的进一步临床应用。
    （1）CBCT扫描：高质量的CBCT扫描是机器人种植手术的基本前提。图像伪像、曝光剂量、视野大小、成像时间、患者移动、切片厚度和体素水平等多种因素均会产生CBCT数据误差。
    （2）注册：动态导航技术中，术前CBCT影像中的定位点与术中患者实际定位点之间的结合称为配准，配准已被证明是动态导航手术准确性中最有影响力的因素。而在机器人种植手术中，术前设计方案与术中软硬组织点对点的配准称为注册。定位导板的位置和固定方式、术前扫描CBCT时固定于患者口内的定位导板有无移位、术中进行注册时定位导板有无移动等多种因素均会导致注册误差。
    （3）视觉系统：视觉系统对机械臂及末端执行器的标定、空间映射配准的算法、机器人视觉系统获取数据的方式等方面容易引起视觉系统误差。
    （4）机械臂：机械臂常采用高自由度完成各种操作，机器人自由度越高，灵活性越好，但对其精准控制越困难。
    3.口腔种植机器人的不足
    1）术前准备时间长：赵铱民等的研究表明机器人组手术时间略长于导板组，吴煜等报道口腔种植机器人术前准备时间为3~23 min，平均8 min。手术时间15~45 min，平均25 min。口腔种植机器人的术前准备程序较为复杂，因此在保证精准、微创的前提下，需简化工作流程，缩短术前准备时间和术中操作时间，从而提高效率。
    2）占据空间大：机器设备占据空间大，Yuan等将激光与机器人相结合以缩小机器人的占地空间，相信随着人工智能技术、纳米机器人技术的发展，有望减小口腔种植机器人的占据空间。
    3）智能化水平不高：目前的口腔种植机器人需要术者进行术前规划，尚无法独立完成种植手术全程，未来可以根据口腔种植术前规划的大数据，基于不同专家的种植规划规律，推出自动设计手术方案软件。
    4）功能单一：目前各类口腔机器人的功能包括牙体预备、排牙、充当机器人患者等。但是这些均独立存在，尚无法使一台机器人设备包含多种功能。
    5）存在安全风险：口腔种植机器人随动性较差，难以像医生一样对术中各种意外做出及时预判和实时调整。
    6）患者接受程度低：患者对机器人的认识尚且不足，无法完全信任机器人种植手术，易产生抵触心理。
    7）缺乏力伺服功能：经验丰富的种植医师在种植过程中遇到明显差异的不同骨质时，会通过手的阻力感判断骨质密度，进而实时调整种植的方向。机器人在遇到密度明显不均匀的骨质时，也应该具备种植经验丰富的医师的手感，实时调整种植的力度和方向，从而避免种植误差，提升种植精度。
    8）缺乏远程操作功能：目前在机器人操作过程中，手术医生必须在手术现场实时把控机器人的操作过程。随着5G时代的到来，口腔种植机器人可采用远程医疗的方式指导和执行整个种植手术，手术医生通过远程操作功能对手术关键环节进行介入，确保种植手术安全、精确地完成，这一模式对解决医疗资源的区域不平衡问题具有重要意义。
    4.关于机器人种植时代的思考
    4.1硬件设备的革新：
    （1）专用操作系统：机器人使术者的双手得到解放，可以将种植机的转速、扭力等控制交给灵活的机器人双手来操作，使操作更加得心应手，同时也降低了以往误踩脚踏等风险发生的可能；（2）专用钻针工具盒：种植机器人在进行后牙区手术时，容易受到患者开口度的影响。由于种植机器人无法像自由手一样自由活动，所以需要更多尺寸的钻针以供选择，以针对不同开口度的患者；（3）专用种植手机：建议使用装有光导纤维的种植手机，避免遮挡定位导板的同时，给予术者和助手良好的手术视野环境。
    4.2手术团队的角色变化：
    （1）助手角色转换：由于术者的视线可能会被种植机器人的marker遮挡，故助手不仅起到辅助作用，甚至要在手术过程中观察、监控术区，如机器人工作端是否被对颌牙及邻牙阻挡、是否会损伤到周围软硬组织等；（2）手术位置转变：机器人也是手术团队的重要成员，要建立智能语言系统，同时需要第二位助手操作机器人系统软件，配合术者完成种植体及钻针的规划、机器人种植系统的校准、告知术者适时制备窝洞、植入状态等；（3）术者角色转变：术者不再仅仅关注术区状况，需兼顾全局，指导系统操作位完成种植体和钻针规划、关注显示屏的备洞和植入状态，兼顾全局。
    4.3适用于机器人种植系统的安全规范：
    （1）当种植机器人未工作时，应保证工作端无钻针，并将工作端远离患者至少0.5 m，以防止对患者造成伤害；（2）术者及助手应时刻注意脚下的脚踏控制板，包括机器人种植系统和种植机系统的脚踏控制板，以防止误踩而对患者造成伤害；（3）在机器人预备种植窝洞时，应保证患者头部稳定，禁止在钻针工作时让患者张大口，以防止术区突然移动而对患者造成伤害。
    5.总结
    综上所述，种植机器人在许多方面不同于传统的种植手术，如自由手、静态导板系统和动态导航系统。在进入种植机器人时代后，以往为了适用于传统自由手、导板、导航种植系统而形成的固有习惯，我们应做到与时俱进，积极修正，不应拘泥于过去，敢于适应新事物。